(57)【要約】      （修正有）【課題】複雑な形状の分離膜モジュールでも、短い時間で確実に滅菌可能な滅菌方法、化学品の製造方法、分離幕モジュールの滅菌用装置ならびに膜分離型連続発酵装置を提供する。【解決手段】分離膜モジュール２下部に、加圧熱水供給部２１から、好ましくは１２１℃以上の温度で、圧力が制御されている滅菌された液想状態の水である加圧熱水を供給して、所定の滅菌温度で所定時間滅菌する、分離膜モジュール２の滅菌方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜モジュールに加圧熱水を供給して滅菌することを特徴とする分離膜モジュールの滅菌方法。
【請求項２】
前記分離膜モジュールに供給する加圧熱水の線速度が、０．０１以上１０ｍ／ｓ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の分離膜モジュールの滅菌方法。
【請求項３】
前記加圧熱水は、前記分離膜モジュール下部から供給することを特徴とする、請求項１または２に記載の分離膜モジュールの滅菌方法。
【請求項４】
前記分離膜モジュールが有機膜であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の分離膜モジュールの滅菌方法。
【請求項５】
前記分離膜モジュールの分離膜は中空糸膜であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の分離膜モジュールの滅菌方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の滅菌方法により前記分離膜モジュールを滅菌する滅菌工程と、
発酵原料を微生物の発酵培養により化学品を含有する発酵液へと変換する発酵工程と、
該発酵液から前記分離膜モジュールにより濾過液として化学品を回収する膜分離工程と、
を含むことを特徴とする化学品の製造方法。
【請求項７】
分離膜モジュールの滅菌用装置であって、
温度および圧力が制御された加圧熱水を生成し、前記分離膜モジュールの下部から前記加圧熱水を供給する加圧熱水供給部を備えることを特徴とする分離膜モジュールの滅菌用装置。
【請求項８】
発酵原料を微生物による発酵培養することにより、該発酵原料を、化学品を含有する発酵液に変換する発酵槽と、
前記発酵液から化学品を分離する分離膜モジュールと、
前記発酵槽から前記分離膜モジュールに発酵液を送液する発酵液循環手段と、
温度および圧力が制御された加圧熱水を生成し、前記発酵槽および前記分離膜モジュールに供給する加圧熱水供給部と、
を備えることを特徴とする膜分離型連続発酵装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発酵液等に含まれる化学品を得るために、発酵液から微生物を濾過する場合などに使用する分離膜モジュールの滅菌方法、分離膜モジュールの滅菌用装置および膜分離型連続発酵装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微生物や培養細胞の培養を伴う物質生産方法である発酵法は、大きく（１）回分発酵法（Ｂａｔｃｈ発酵法）および流加発酵法（Ｆｅｄ−Ｂａｔｃｈ発酵法）と、（２）連続発酵法とに分類することができる。
【０００３】
上記（１）の回分発酵法および流加発酵法は、設備的には簡素であり、短時間で培養が終了し雑菌汚染による被害が少ないという利点がある。しかしながら、時間経過と共に発酵培養液中の化学品濃度が高くなり、浸透圧あるいは化学品阻害等の影響により生産性および収率が低下してくる。そのため、長時間にわたり安定して高収率かつ高生産性を維持することが困難である。
【０００４】
また、上記（２）の連続発酵法は、発酵槽内で目的化学品が高濃度に蓄積することを回避することによって、長時間にわたって高収率かつ高生産性を維持できるという特徴がある。この連続発酵法については、Ｌ−グルタミン酸やＬ−リジンの発酵についての連続培養法が開示されている（非特許文献１参照）。しかしながら、この例では、発酵培養液に原料の連続的な供給を行うと共に、微生物や培養細胞を含んだ発酵培養液を抜き出すために、発酵培養液中の微生物や培養細胞が希釈されることから、生産効率の向上は限定されたものであった。
【０００５】
そこで、連続発酵法において、微生物や培養細胞を分離膜で濾過し、濾液から化学品を回収すると同時に濃縮液中の微生物や培養細胞を発酵培養液に保持または還流させることにより、発酵培養液中の微生物や培養細胞濃度を高く維持する方法が提案されている。例えば、分離膜として有機高分子からなる平膜を用いた連続発酵装置において、連続発酵する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
この様な連続発酵では、雑菌混入（コンタミネーション）を防いだ状態で純粋培養を行うことが好ましい。発酵培養液を濾過する際に分離膜モジュール等から雑菌が混入すると、発酵効率の低下、発酵槽内での発泡等により化学品の製造が効率的に行えなくなる。そのため、雑菌混入を防ぐために、発酵前に発酵槽や周辺設備、そして分離膜を滅菌する必要がある。
【０００７】
滅菌の方法としては、火炎滅菌、乾熱滅菌、煮沸滅菌、蒸気滅菌、紫外線滅菌、ガンマ線滅菌、ガス滅菌等の方法が挙げられるが、分離膜孔中の水分が無くなり、分離膜が乾燥してしまうと分離機能がなくなってしまうことに留意する必要がある。薬剤で殺菌する方法もあるが、殺菌後の薬剤の処理または分離膜モジュールへの薬剤の残留の問題がある。さらに薬剤耐性のある微生物が残る懸念がある。
【０００８】
また、分離膜の形状は、平膜、中空糸膜、スパイラル式などの形状のものがあり、中空糸膜モジュールであれば、外圧式、内圧式がある。特に中空糸膜モジュールは単位装置あたりの膜面積が大きく、工業的にも有用な構造と考えられるが、構造としては複雑なものである。
【０００９】
複雑な構造の分離膜を乾燥させずに滅菌するには、分離膜モジュール内に所定温度の水蒸気を供給して滅菌する蒸気滅菌（一般的には１２１℃、１５分間から２０分間）が適している。
【００１０】
この蒸気滅菌を生産スケールの発酵槽などの設備で行う場合、一般的には、発酵槽や周辺設備に、所定温度・圧力の蒸気、例えば１２５℃の飽和水蒸気を供給し、一般的な蒸気滅菌の温度である１２１℃まで各設備を昇温し、滅菌温度を所定時間保持して（２０分以上）、蒸気滅菌を行っている。
【００１１】
濾過装置の蒸気滅菌システムとして、半透膜モジュールの蒸気滅菌後、装置等が負圧になることを防止するため、原水側から熱水を導入し、濾過装置の透過側が負圧になることを防止する技術が提案されている(特許文献２)。
【００１２】
また、蒸気滅菌後、原液側（１次側）である中空糸内側から空気を供給し、透過側（２次側）である中空糸の外側に空気の一部を膜透過させて、透過側の空間を満たした後、原液側より水を供給してモジュールの温度を下げる中空糸膜モジュールの蒸気滅菌方法が提案されている(特許文献３参照)。
【００１３】
さらに、中空糸膜の外側から内側に蒸気を通気、または外側と内側とに同時に蒸気を通気することにより、中空糸のゆれによる中空糸とケースとの接着界面でのリークを防止しながら、中空糸膜モジュールの蒸気滅菌を行う技術が提案されている(特許文献４参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−２５２３６７号公報
【特許文献２】特開昭６１−２４２６０５号公報
【特許文献３】特公平８−４７２６号公報
【特許文献４】特開平２−２０７８２６号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Toshihiko  Hirao  et  al.，  Appl.  Microbiol.  Biotechnol.，３２，２６９−２７３（１９８９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
分離膜中の水分を損なうことなく滅菌可能な蒸気滅菌方法は、スパイラルや中空糸膜等の複雑な形状を有する分離膜モジュールにおいて、適した滅菌方法であり、上記した種々の技術が提案されている。
【００１７】
ところで、発酵槽や周辺配管などを蒸気滅菌する場合、蒸気の供給温度は、最も温度が上がりにくい場所でも、所定の蒸気滅菌の温度以上になるように設定される。また、蒸気の供給時間は、最も温度が上がりにくい場所が、所定の蒸気滅菌の温度以上に昇温してから、所定の蒸気滅菌の時間以上滅菌するように設定する。通常、保温などで放熱対策を講じるが、供給する蒸気の温度は１２１℃以上とされる。
【００１８】
しかしながら、蒸気の供給温度が高く、かつ供給時間が長くなると、高温の蒸気との長時間の接触により、分離膜モジュールの各部材が劣化する懸念がある。例えば、中空糸膜モジュールでは、中空糸膜とモジュール容器を固定するため、ウレタン系やエポキシ系のポッティング剤を使用している。このポッティング剤は、繰り返し行われる蒸気滅菌により劣化して、ポッティング剤と中空糸膜、またはポッティング剤とモジュール容器の剥離が発生する懸念がある。また、中空糸膜モジュールの場合、ポッティング剤としてウレタン系の樹脂を使用することがあるが、ウレタン樹脂は１２０℃を超えると劣化が進行し、一般的な蒸気滅菌の処理温度である１２１℃の蒸気と長時間接触した場合、ポッティング剤が劣化し、リークが発生する懸念がある。
【００１９】
さらに、分離膜モジュールを蒸気滅菌する場合、分離膜モジュール内に供給された蒸気は、分離膜モジュール内で熱交換して凝縮水を発生する。発生した凝縮水が分離膜モジュール内の特定の箇所に滞留すると、蒸気供給しても所定の滅菌温度まで昇温せず、昇温不良により適正な条件下で滅菌が行えない懸念がある。そのため、凝縮水を特定の箇所に滞留しないように、適切に排出することが必要となる。
【００２０】
しかしながら、分離膜モジュールを蒸気滅菌する場合、分離膜モジュールの容器だけでなく、分離膜や、分離膜モジュールの部材を室温から１２１℃の高温まで昇温させるため、多量の凝縮水が発生する。特に分離膜モジュール内の分離膜の充填率が高い場合、分離膜の近傍に凝縮水が多量に滞留し、凝縮水の排出が適切にできずに、滅菌不良となる可能性があった。
【００２１】
さらにまた、蒸気は、圧力損失の少ない、流れやすい空間に流れやすいため、例えば中空糸膜が密に集まっているなど、分離膜が密になっている部分には、蒸気は流れにくい懸念がある。蒸気滅菌時は、飽和水蒸気圧で高温に保持するが、分離膜が密になっている部分は、主に伝熱で昇温していくため、蒸気滅菌条件まで昇温するのに多くの時間を要する。分離膜形状が密なものは、膜面積が大きくとれるメリットがある反面、蒸気滅菌時、蒸気の通気が十分行き渡らずに滅菌温度まで昇温できずに滅菌不良となるか、または確実に昇温、滅菌するには長時間を要するといった問題を有していた。
【００２２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、分離膜モジュールを短い時間で、確実に滅菌する滅菌方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の分離膜モジュールの滅菌方法は、分離膜モジュールに加圧熱水を供給して滅菌することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の分離膜モジュールの滅菌方法は、上記発明において、前記分離膜モジュールに供給する加圧熱水の線速度が、０．０１以上１０ｍ／ｓ以下であることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の分離膜モジュールの滅菌方法は、上記発明において、前記加圧熱水は、前記分離膜モジュール下部から供給することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の分離膜モジュールの滅菌方法は、上記発明において、前記分離膜モジュールが有機膜であることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の分離膜モジュールの滅菌方法は、上記発明において、前記分離膜モジュールの分離膜は中空糸膜であることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の化学品の製造方法は、上記のいずれか一つに記載の滅菌方法により前記分離膜モジュールを滅菌する滅菌工程と、発酵原料を微生物の発酵培養により化学品を含有する発酵液へと変換する発酵工程と、該発酵液から前記分離膜モジュールにより濾過液として化学品を回収する膜分離工程と、を含むことを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の分離膜モジュールの滅菌用装置であって、温度および圧力が制御された加圧熱水を生成し、前記分離膜モジュールの下部から前記加圧熱水を供給する加圧熱水供給部を備えることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の膜分離型連続発酵装置は、発酵原料を微生物による発酵培養することにより、該発酵原料を化学品を含有する発酵液に変換する発酵槽と、前記発酵液から化学品を分離する分離膜モジュールと、前記発酵槽から前記分離膜モジュールに発酵液を送液する発酵液循環手段と、温度および圧力が制御された加圧熱水を生成し、前記発酵槽および前記分離膜モジュールに供給する加圧熱水供給部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、分離膜を蒸気滅菌に要するよりも短い時間で、確実に滅菌処理することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる分離膜モジュールの滅菌用装置の概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１の変形例１にかかる分離膜モジュールの滅菌用装置の概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１の変形例２にかかる分離膜モジュールの滅菌用装置の概略図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２にかかる膜分離型連続発酵装置を説明するための概略図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２の変形例１にかかる膜分離型連続発酵装置を説明するための概略図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２の変形例２にかかる膜分離型連続発酵装置を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（実施の形態１）
本発明に係る分離膜モジュールの滅菌方法について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる分離膜モジュールの滅菌用装置の概略図である。滅菌用装置２０は、分離膜を備えた分離膜モジュール２の１次側の下部に滅菌用の加圧熱水を供給して、分離膜モジュール２を滅菌する。滅菌用装置２０は、加圧熱水供給部２１と、加圧熱水供給ライン２２と、供給バルブ２３と、を備える。加圧熱水供給部２１は、分離膜モジュール２の１次側に設けられた加圧熱水供給ライン２２および供給バルブ２３を介して分離膜モジュール２に接続される。滅菌用装置２０から分離膜モジュール２の１次側下部に供給された加圧熱水は、加圧熱水排出ライン２４および排出バルブ２５を介して分離膜モジュール２の系外に排出される。なお、以下、分離膜モジュール２内の、処理対象である原液と接する側を１次側と呼び、処理後の濾過液と接する側を２次側と呼ぶ。
【００３４】
分離膜モジュール２は、分離膜と該分離膜を収容する容器とを備える。本実施の形態１に使用される分離膜は、有機膜、無機膜を問わない。分離膜の洗浄に逆圧洗浄や薬液浸漬による洗浄などを行うため、分離膜は、これらに対する耐久性を有することが好ましい。分離膜の形状は、平膜、中空糸膜、スパイラル式などいずれの形状のものも採用することができる。中でも、中空糸膜モジュールが好ましく、中空糸膜モジュールであれば、外圧式、内圧式のいずれの形状のものも採用することができる。
【００３５】
本実施の形態１に使用される分離膜として、分離性能及び透水性能、さらには耐汚れ性の観点から、有機高分子化合物を好適に使用することができる。例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、セルロース系樹脂およびセルローストリアセテート系樹脂などが挙げられ、これらの樹脂を主成分とする樹脂の混合物であってもよい。
【００３６】
溶液による製膜が容易で物理的耐久性や耐薬品性にも優れているポリ塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂およびポリアクリロニトリル系樹脂が好ましく、ポリフッ化ビニリデン系樹脂またはそれを主成分とする樹脂が、化学的強度（特に耐薬品性）と物理的強度を併せ有する特徴をもつためより好ましく用いられる。
【００３７】
ここで、ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体が好ましく用いられる。さらに、ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体との共重合体を用いても構わない。フッ化ビニリデンと共重合可能なビニル系単量体としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよび三塩化フッ化エチレンなどが例示される。
【００３８】
実施の形態１に使用される分離膜の平均細孔径は、使用する目的や状況に応じて適宜決定することができるが、ある程度小さい方が好ましく、通常は０.０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。中空糸膜の平均細孔径が０.０１μｍ未満であると、糖や蛋白質などの成分やその凝集体などの膜汚れ成分が細孔を閉塞して、安定運転ができなくなる。透水性能とのバランスを考慮した場合、好ましくは０．０２μｍ以上であり、さらに好ましくは０．０３μｍ以上である。また、１μｍを超える場合、膜表面の平滑性と膜面の流れによる剪断力や、逆洗やエアースクラビングなどの物理洗浄による細孔からの汚れの成分の剥離が不十分となり、安定運転ができなくなる。
【００３９】
また、平均細孔径が微生物または培養細胞の大きさに近づくと、これらが直接細孔を塞いでしまう場合がある。さらに発酵液中の微生物または培養細胞の一部が死滅することにより細胞の破砕物が生成する場合があり、これらの破砕物によって細孔の閉塞を回避するために、平均細孔径は０.４μｍ以下が好ましく、０.２μｍ以下が好適である。
【００４０】
ここで、分離膜の平均細孔径は、倍率１０，０００倍以上の走査型電子顕微鏡観察で観察される複数の細孔の直径を測定し、平均することにより求めることができる。１０個以上、好ましくは２０個以上の細孔を無作為に選び、それら細孔の直径を測定し、数平均して求めることが好ましい。細孔が円状でない場合などは画像処理装置等によって、細孔が有する面積と等しい面積を有する円、すなわち等価円を求め、等価円直径を細孔の直径とする方法により求めることも好ましく採用できる。
【００４１】
分離膜モジュール２を使用した膜分離処理を行う際、雑菌等による装置内および／または濾過液の汚染を防止するために、膜分離工程前に分離膜モジュール２の滅菌処理を行うことが好ましい。
【００４２】
実施の形態１にかかる滅菌方法において、加圧熱水供給部２１は分離膜モジュール２に加圧熱水を供給する。本明細書において、加圧熱水とは、温度、圧力が制御されている滅菌された液相状態の水をいう。分離膜モジュール２に供給する加圧熱水の温度は、滅菌対象物の特性により決定される滅菌温度に設定すれば良く、特に、一般的な蒸気滅菌の滅菌温度と同様の１２１℃以上であることが好ましい。加圧熱水の温度が１２１℃であれば、加圧熱水の圧力は、滅菌温度である１２１℃で液体となりうる圧力以上であればよく、効率および装置の耐圧性を考慮すると０．３ＭＰａ以下とすることが好ましく、０．２１ＭＰａ以下が特に好ましい。加圧熱水にはイオン交換水、逆浸透膜処理水、蒸留水、またはそれと同程度の清浄性を有する水を用いることが好ましい。加圧熱水用の水は、イオン交換水、逆浸透膜処理水、蒸留水などを予め滅菌し、その後に所定の温度、圧力を有する加圧熱水となるように処理をしてもよく、イオン交換水、逆浸透膜処理水、蒸留水などを予め所定の温度、圧力を有する加圧熱水となるように処理し、その後に滅菌フィルター等を通して滅菌処理するようにしてもよい。
【００４３】
分離膜モジュール２の滅菌は、１２１℃以上で１５分〜２０分間保持されることが好ましく、分離膜モジュール２に１２１℃以上の加圧熱水を１５〜２０分間供給し続けることにより滅菌を行うことが特に好ましい。気体に比べ液体は熱伝導率が高いため、分離膜モジュール２に加圧熱水を供給することにより、蒸気を供給するよりも分離膜モジュール２を速く昇温できる。また、複雑な形状の分離膜モジュール２内では蒸気が行き渡りにくい部分が存在するが、該形状の分離膜モジュール２においても、速くかつ確実に昇温することができる。
【００４４】
加圧熱水供給部２１は、供給開始から所定の滅菌温度（１２１℃以上）の加圧熱水を分離膜モジュール２に供給することができるが、分離膜モジュール２の部材に急激な温度変化に対して耐久性が低いものを含む場合は、所定の滅菌温度に到達するまで徐々に温度を上げて滅菌用水を供給することが好ましい。
【００４５】
また、加圧熱水供給部２１は、１００℃以下の熱水を生成して分離膜モジュール２に供給し、その後１００℃以上の熱水を供給する場合に、加熱および加圧して液体の状態の加圧熱水を生成し、分離膜モジュール２に供給しても良い。加圧熱水は、液体の水と、気体の水蒸気の混合流となる可能性があるが、分離膜モジュール２の昇温性、滅菌効果を考慮すると、液体と気体の混合流でも構わない。
【００４６】
加圧熱水供給部２１は、供給する加圧熱水の温度を、分離膜モジュール２の滅菌中は所定の滅菌温度を保持するように温度制御することが好ましい。分離膜モジュール２自体からの放熱分などを考慮し、所定の滅菌温度よりも高めの温度の加圧熱水を供給することが好ましい。
【００４７】
加圧熱水は逆浸透膜を透過させた水や蒸留水、イオン交換水をヒーター等で加熱したものを用いる。滅菌に使用することから、フィルターを透過させてフィルター滅菌する等、滅菌してから使用することが好ましい。なお、フィルターは市販の滅菌用フィルターを使用することができ、捕捉径が０．２μm程度のものが好ましい。
【００４８】
加圧熱水として使用する水はタンク等に貯蔵しておき、分離膜モジュール２に送液しても良い。この場合、タンクで所定の温度に加熱しておくこともできる。また分離膜モジュール２の送液時に、途中に熱交換器を設けて、加熱することもできる。熱交換器には、プレート式、チューブ式、スパイラル式、二重管式等の一般的な熱交換器を用いることもできる。
【００４９】
加圧熱水供給部２１は、図１に示すように、加圧熱水を、分離膜モジュール２の１次側（原水側）に供給する。分離膜モジュール２内に気体溜まりが発生しないように、分離膜モジュール２の下側から加圧熱水を供給し、分離膜モジュール２の上側から加圧熱水を排出することが好ましい。供給口または排出口は、円筒形状の分離膜モジュール容器であれば、円筒のサイドノズルを使用しても良い。
【００５０】
実施の形態１にかかる滅菌方法において、加圧熱水供給ライン２２を介し分離膜モジュール２に加圧熱水を供給し、加圧熱水排出ライン２４から加圧熱水を排出するクロスフローで加圧熱水を供給することが好ましい。分離膜モジュール２内におけるクロスフローの流れにより、分離膜モジュール２内の加圧熱水の滞留を減少させて滅菌処理を行うことが好ましい。
【００５１】
分離膜モジュール２に供給された加圧熱水の分離膜モジュール２内でのクロスフローの流束は、０．０１〜１０ｍ／ｓの範囲であることが好ましい。クロスフローの流速が０.０１m／ｓより小さい場合は、分離膜モジュール２への供給熱量は少なくなり、昇温に時間を要すること、および分離膜モジュール２内での流れが層流となり、熱交換が遅くなる等のデメリットがある。一方、クロスフローの流束が１０ｍ／ｓより大きい場合、クロスフローの送液動力コストが大きくなること、および分離膜モジュール２内で分離膜が損傷する懸念等のデメリットがある。クロスフローの流束は、０．０１ｍ／ｓ〜１０ｍ／ｓであり、さらに０．１ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓの範囲とすることが好ましい。
【００５２】
また、図２に変形例１として示すように、分離膜モジュール２の１次側および２次側に加圧熱水を供給してもよい。図２の滅菌用装置２０Ａは、分離膜モジュール２の１次側および２次側に、加圧熱水をそれぞれ供給する加圧熱水供給ライン２２ａおよび２２ｂを備え、加圧熱水供給ライン２２ａおよび２２ｂ上には、加圧熱水の供給バルブ２３ａおよび２３ｂがそれぞれ配置される。分離膜モジュール２の１次側および２次側に、加圧熱水供給ライン２２ａおよび２２ｂから加圧熱水をそれぞれ供給し、加圧熱水排出ライン２４ａおよび２４ｂから加圧熱水を排水（クロスフロー）することにより、分離膜モジュール２の昇温に要する時間を短縮することができる。また、高温高圧水を２次側にも供給できるので、滅菌効率をさらに高めることができる。
【００５３】
さらに、図３に変形例２として示すように、分離膜モジュール２の１次側に加圧熱水を供給し、加圧熱水を分離膜に透過させてもよい。図３の滅菌用装置２０Bは、１次側の加圧熱水排出ライン２４ａに加え、２次側にも加圧熱水排出ライン２４ｂが設置される。
【００５４】
分離膜モジュール２内の１次側に滅菌用装置２０Ｂから加圧熱水が供給されると、加圧熱水排出ライン２４ａを介して加圧熱水が系外に排出される。加圧熱水供給部２１から加圧熱水を供給しながら加圧熱水排出ライン２４ａ上のバルブ２５ａを調整することにより、分離膜モジュール２の１次側に供給された加圧熱水を２次側にも通液する。２次側に通液された加圧熱水は、加圧熱水排出ライン２４ｂを介して系外に排出される。
【００５５】
変形例２では、加圧熱水が分離膜を透過することにより、分離膜内部まで加圧熱水が行き渡るため、滅菌効率をさらに高めることができる。加圧熱水を分離膜に透過させる方法としては、上記のようにバルブを調整するほか、１次側から加圧して２次側通液する方法や、２次側から加圧熱水を排出する加圧熱水排出ライン２４ｂに吸引ポンプを設置して該吸引ポンプにより加圧熱水を吸引して２次側に透過させる方法が例示される。
【００５６】
あるいは、加圧熱水を分離膜モジュール２の２次側（透過液側）から、１次側に熱水を供給しても良い。分離膜モジュール２の２次側に加圧熱水を供給して滅菌処理を行う場合、２次側から供給した加圧熱水を分離膜モジュール２の１次側に透過し、分離膜モジュール２の１次側から排出、または２次側から供給した加圧熱水を分離膜モジュール２の１次側に一部透過し、分離膜モジュール２の１次側および２次側から排出すればよい。
【００５７】
実施の形態１にかかる分離膜モジュール２の滅菌方法において、分離膜モジュール２内部が滅菌可能な温度に昇温するまでの昇温時間は、分離膜モジュール２内に熱電対を設置して事前に測定して決定することが好ましい。または、特定の微生物を分離膜モジュール２内に配置し、滅菌性を確認して決定しても良い。
【００５８】
なお、分離膜モジュール２内の、最も温度が上がりにくい場所でも、所定の滅菌温度以上になるように昇温時間を設定することが好ましい。通常、保温などで放熱対策を講じるが、加圧熱水の供給温度は１２１℃以上とすることが好ましい。
【００５９】
実施の形態１にかかる分離膜モジュール２の滅菌方法において、滅菌処理の終了後、所定の滅菌温度から、直ちに低下させて、分離膜モジュール２の温度を低下させることもできるが、分離膜モジュール２の部材に急激な温度変化に対して耐久性が低いものを含む場合は、所定の滅菌温度から徐々に温度を下げるように制御することが好ましい。かかる制御のためには、加圧熱水供給部２１により、徐々に温度を下げた滅菌用水を供給させればよい。また、滅菌終了後、加圧熱水の供給を停止し、その状態で放置しておくこともできる。
【００６０】
本実施の形態１では、分離膜モジュール２に加圧熱水を供給して滅菌処理を行うことにより、分離膜モジュール２の昇温時間を短縮でき、また、確実に滅菌温度まで昇温できるので滅菌不良を防止することが可能となる。
【００６１】
また、蒸気滅菌法により、蒸気を分離膜の１次側から２次側へ透過、または２次側から１次側へ透過処理した場合、分離膜の細孔が乾燥するため、液体による分離膜の細孔の置換処理が必要となる場合がある。実施の形態１の滅菌方法では、加圧熱水を使用して分離膜モジュール２の滅菌を行うため、分離膜の１次側から２次側への加圧熱水の通液、または２次側から１次側への加圧熱水の通液を行った場合でも、細孔の乾燥対策を講じる必要がないというメリットも有する。
【００６２】
また、一般に、分離膜モジュール２は、液体を濾過するために分離膜の細孔が水等で満たされている。しかしながら、分離膜の細孔が水等で満たされている場合、分離膜の細孔径や分離膜材料の濡れ性によっては、気体である蒸気を通さない。分離膜の細孔中の水等が乾燥すれば、気体を通すことはできるが、液体を濾過するためには、濾過の前に分離膜の細孔に水等を再度満たす操作が必要となるが、本実施の形態１のように、加圧熱水を１次側から２次側に、または２次側から１次側に濾過通液させれば、分離膜の細孔に水等を再度満たす操作は不要となり、２次側も滅菌を容易に行うことができる。
【００６３】
さらに、分離膜モジュール２について、蒸気滅菌法により１次側から２次側、または２次側から１次側に蒸気を通しても、蒸気を透過した側の気相部または液相部の存在により、蒸気が全体に行き渡りにくい可能性があるため、確実に滅菌を行うことが困難な場合があるが、本実施の形態１のように、加圧熱水を濾過通液させれば、加圧熱水を透過させた側も滅菌を容易に行うことができる。さらにまた、加圧熱水は蒸気に比べて熱容量が大きいため、送液ラインを保温する等により、加熱熱水の温度を容易に保持することができる。
【００６４】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、本発明の滅菌方法により滅菌した分離膜モジュールを用いる膜分離型連続発酵装置である。本発明に係る滅菌方法により滅菌した分離膜モジュールを膜分離型連続発酵装置で使用することにより、安定的に発酵を行うことが可能となる。以下、図面を参照して本実施の形態２を説明する。図４は、本発明の実施の形態２にかかる膜分離型連続発酵装置を説明するための概略図である。
【００６５】
図４に示す膜分離型連続発酵装置１００は、分離膜モジュール２が、発酵槽１の外部に設置された代表的な構成の例である。膜分離型連続発酵装置１００は、発酵原料を微生物の発酵培養により化学品を含有する発酵液への変換を行う発酵槽１と、発酵液から化学品を分離する分離膜モジュール２と、分離膜モジュール２を洗浄する分離膜洗浄装置１８と、各部を制御する制御装置３０と、加圧熱水を供給する加圧熱水供給部２１と、を備える。分離膜モジュール２には、多数の中空糸膜が組み込まれている。
【００６６】
発酵槽１内には、原料供給ポンプ９により原料及び微生物または培養細胞が投入される。発酵工程は発酵槽１内で進行する。膜分離型連続発酵装置１００は、撹拌装置４および気体供給装置１５を備える。撹拌装置４は発酵槽１内の発酵液を撹拌する。また、気体供給装置１５は、必要とする気体を供給することができる。このとき、供給された気体を回収し、リサイクルして再び気体供給装置１５で供給することができる。
【００６７】
膜分離型連続発酵装置１００は、ｐＨセンサー・制御装置５および中和剤供給ポンプ１０を備える。ｐＨセンサー・制御装置５は培養液のｐＨを検出し、その結果に応じて、培養液が設定範囲内のｐＨを示すように、中和剤供給ポンプ１０を制御する。中和剤供給ポンプ１０は、酸性水溶液の槽及びアルカリ性水溶液の槽に接続されており、いずれかの水溶液を発酵槽１に添加することによって培養液のｐＨを調節する。培養液のｐＨが一定範囲内に保たれることで、生産性の高い発酵生産を行うことができる。中和剤、つまり酸性水溶液およびアルカリ性水溶液は、ｐＨ調整液に該当する。
【００６８】
膜分離型連続発酵装置１００は、装置内の培養液、つまり発酵液を、発酵槽１から分離膜モジュール２に送液し、クロスフローにより未濾過の発酵液を、分離膜モジュール２から発酵槽１に循環する、循環ポンプ８を備える。発酵生産物である化学品を含む発酵液は、分離膜モジュール２によって濾過されることで微生物と発酵生産物である化学品に分離され、装置系から濾過液として取り出される。また、分離された微生物は、装置系内にとどまるので、装置系内の微生物濃度が高く維持される。その結果、生産性の高い発酵生産を可能としている。循環ポンプ８と分離膜モジュール２との間には、循環バルブ１７が設けられる。
【００６９】
分離膜モジュール２は、膜分離を実行する装置の一例である。分離膜モジュール２は、循環ポンプ８を介して発酵槽１に接続されている。分離膜モジュール２による濾過は、濾過ポンプ１１により吸引しながら行うことが好ましい。差圧センサー・制御装置７により、分離膜モジュール２の分離膜の差圧を検出しながら、分離膜モジュール２の分離膜の差圧が一定の範囲内の値を示すように、濾過ポンプ１１を制御することで、発酵槽１から分離膜モジュール２へ送られる発酵液量を適当に調整することができる。あるいは、濾過ポンプ１１による吸引を行うことなく、循環ポンプ８による圧力のみによって、特別な動力を使用することなく濾過を行うことも可能である。
【００７０】
発酵槽１は、温度制御装置３を備えることができる。温度制御装置３は、温度検出する温度センサーと、加熱部と、冷却部と、制御部とを備える。温度制御装置３は、温度センサーによって発酵槽１内の温度を検出し、検出結果に応じて、温度が一定の範囲内の値を示すように制御部によって加熱部及び冷却部温度を制御する。こうして、発酵槽１の温度が一定に維持されることで、微生物濃度が高く維持される。
【００７１】
また、発酵槽１には直接又は間接的に水を添加することができる。水供給部は、発酵槽１に直接的に水を供給し、具体的には水供給ポンプ１６で構成される。間接的な水の供給は、原料の供給およびｐＨ調整液の添加等を含む。連続発酵装置に添加される物質は、コンタミによる汚染を防止し、発酵を効率よく行うため、滅菌されていることが好ましい。例えば、培地は、培地原料を混合後に加熱されることで滅菌されてもよい。また、培地、ｐＨ調整液および発酵槽に添加される水は、必要に応じて、滅菌用フィルターを通すなどして無菌化されてもよい。
【００７２】
レベルセンサー・制御装置６は、発酵槽１内の液面の高さを検知するセンサーと、制御装置とを備える。制御装置は、このセンサーの検知結果に基づいて、原料供給ポンプ９、水供給ポンプ１６等を制御することによって、発酵槽１内に流入する液量を制御することで、発酵槽１内の液面の高さを一定の範囲内に維持する。
【００７３】
分離膜洗浄装置１８は、洗浄液槽と、洗浄液供給ポンプ１２と、洗浄液バルブ１４とを備える。分離膜洗浄装置１８は、洗浄液供給ポンプ１２を駆動することにより、洗浄液槽から分離膜モジュール２の２次側に洗浄液を供給して逆圧洗浄を行う。ここで、逆圧洗浄とは、分離膜の２次側である濾過液側から、１次側である発酵液側へ洗浄液を送ることにより、分離膜表面に堆積した汚れ物質を除去する方法である。分離膜モジュール２の２次側に供給された洗浄液は、分離膜を透過して１次側に濾過される。洗浄液が分離膜モジュール２に供給されることで、分離膜の洗浄が実行される。逆圧洗浄を行う場合、分離膜モジュール２と濾過ポンプ１１との間に配置される濾過バルブ１３を閉とすることで、分離膜モジュール２における濾過が停止される。逆圧洗浄を行う際は、循環ポンプ８を運転しても、または停止してもよい。循環ポンプ８を運転しながら逆圧洗浄を行う場合は、洗浄液供給ポンプ１２の圧力を循環ポンプ８の圧力より高く設定すればよい。
【００７４】
逆圧洗浄に用いられる洗浄液には、発酵に大きく阻害しない範囲で、アルカリ、酸、酸化剤または還元剤を添加することができる。ここで、アルカリの例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムなどを挙げることができる。酸の例としては、シュウ酸、クエン酸、塩酸、硝酸などを挙げることができる。また酸化剤の例としては、次亜塩素酸塩、過酸化などを挙げることができる。還元剤の例としては、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウムなどの無機系還元剤などを挙げることができる。
【００７５】
微生物または培養細胞の発酵液を分離膜モジュール２中の分離膜で濾過処理する際の膜間差圧は、微生物および培養細胞、並びに培地成分が容易に目詰まりしない条件であればよい。例えば、膜間差圧を０．１ｋＰａ以上２０ｋＰａ以下の範囲にして濾過処理することができる。膜間差圧は、好ましくは０．１ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下の範囲であり、さらに好ましくは０．１ｋＰａ以上５ｋＰａ以下の範囲である。上記膜間差圧の範囲内であれば、微生物（特に原核生物）および培地成分の目詰まり、並びに透過水量の低下を抑制することで、連続発酵運転に不具合を生じることを効果的に抑制することができる。
【００７６】
加圧熱水供給部２１は、供給バルブ１９等を介して、膜分離型連続発酵装置１００の各部に加圧熱水を供給する。実施の形態２にかかる加圧熱水供給部２１は、発酵槽１に加圧熱水を供給する。実施の形態２では、まず、加圧熱水供給部２１により発酵槽１に加圧熱水を供給し、発酵槽１内を所定の滅菌温度まで昇温した後、循環バルブ１７を開として、加圧熱水を周辺配管、および分離膜モジュール２に供給する。加圧熱水を供給し、図示しない排出ラインから排出して、膜分離型連続発酵装置１００の各部の温度が所定の滅菌温度になるまで昇温する。滅菌する箇所全てが所定の滅菌温度まで昇温できた後、所定の滅菌温度で所定の時間保持して、滅菌を行うことが好ましい。
【００７７】
分離膜モジュール２には、循環ポンプ８により発酵槽１から加圧熱水が供給される。分離膜モジュール２に供給された加圧熱水は分離膜モジュール２の１次側をクロスフローして発酵槽１に循環または装置外へ排出される。循環ポンプ８により供給された加圧熱水により分離膜モジュール２が所定温度まで昇温した後、所定の滅菌温度で所定時間保持することにより、分離膜モジュール２の滅菌を行うことができる。本実施の形態２では、１の加圧熱水供給部２１により膜分離型連続発酵装置１００の全体を滅菌処理することができる。
【００７８】
実施の形態２にかかる滅菌処理において、分離膜モジュール２の分離膜が微生物を通さない孔径のものであれば、分離膜の２次側は滅菌しなくても良いが、分離膜がリークする可能性を考慮して、分離膜の２次側についても滅菌しても良い。分離膜の１次側から２次側へ加圧熱水を通気させる場合、濾過ポンプ１１で吸引を行ってもよい。濾過ポンプ１１により加圧熱水を２次側に通液させることにより、分離膜の２次側に加えて、濾過液の排出ラインも滅菌することができる。
【００７９】
滅菌処理の終了後、発酵槽１や分離膜モジュール２への加圧熱水の供給を停止し、装置内の加圧熱水を排出する。加圧熱水の排出後、圧空でブローして、発酵槽１や分離幕モジュール２を使用条件まで冷却する。または、加圧熱水の供給を停止した後、分離膜モジュール２をバルブ等で区分し、発酵槽１や周辺設備の冷却と、分離膜モジュール２の冷却とを別々の条件で行ってもよい。分離膜モジュール２に使用される分離膜には、急激な温度変化に対し脆いものがあり、同一の冷却条件で短時間に冷却した場合、分離膜が破損する危険性がある。一方、分離膜に合わせて装置全体を冷却すると、冷却時間が長くなる。したがって、発酵槽１等と分離膜モジュール２とを分離して冷却処理を行うことにより、発酵槽１では、短時間で冷却を終了し、その後の処理、例えば、発酵槽１に培地を供給するなど、発酵の準備を行うことができる。
【００８０】
実施の形態２では、加圧熱水供給部２１から発酵槽１および分離膜モジュール２に加圧熱水を供給して滅菌処理を行うが、図５に示すように、分離膜モジュール２に加圧熱水を供給する加圧熱水供給部２１を循環ポンプ８の周辺に設置し、発酵槽１には蒸気を供給する蒸気供給部を設けて、発酵槽１と分離膜モジュール２とを別々に滅菌処理してもよい。あるいは、図６に示すように、分離膜モジュール２の２次側に加圧熱水を供給する加圧熱水供給部２１を設けてもよい。
【００８１】
また、本実施の形態２にかかる膜分離型連続発酵装置１００は、１の分離膜モジュール２を使用しているが、複数の系列の分離膜モジュール２を使用する場合、系列毎に分離膜モジュール２を交換しながら発酵工程および膜分離工程を行うことも考えられる。かかる場合は、図１に示すような分離膜モジュール２のみを滅菌する滅菌用装置２０により、膜分離型連続発酵装置１００から分離した分離膜モジュール２の滅菌処理を行い、その後、滅菌状態を保持したまま、分離膜モジュール２を膜分離型連続発酵装置１００に接続し、連続的に化学品の製造を行うことも可能である。または、膜分離型連続発酵装置１００に接続した分離膜モジュール２を一旦、バルブ等で縁切りし、縁切りした分離膜モジュール２のみについて滅菌処理を行い、その後、膜分離型連続発酵装置１００と滅菌処理した分離膜モジュール２を接続して、連続的に化学品の製造を行うことも可能である。
【００８２】
次に、本実施の形態２にかかる膜分離型発酵装置１００で使用される微生物および培養細胞について説明する。本実施の形態２で使用する微生物および培養細胞については特に制限はなく、例えば、発酵工業においてよく使用されるパン酵母などの酵母、および糸状菌等の菌類；大腸菌およびコリネ型細菌などのバクテリア；放線菌などが挙げられる。また、培養細胞としては、動物細胞および昆虫細胞等が挙げられる。また、使用する微生物や培養細胞は、自然環境から単離されたものでもよく、突然変異や遺伝子組換えによって一部性質が改変されたものであってもよい。
【００８３】
乳酸を製造する場合、真核細胞であれば酵母、原核細胞であれば乳酸菌を用いることが好ましい。このうち酵母は、乳酸脱水素酵素をコードする遺伝子を細胞に導入した酵母が好ましい。このうち乳酸菌は、消費したグルコースに対して対糖収率として５０％以上の乳酸を産生する乳酸菌を用いることが好ましく、更に好ましくは対糖収率として８０％以上の乳酸菌であることが好適である。
【００８４】
また、本実施の形態２で使用する発酵原料としては、培養する微生物および培養細胞の生育を促し、目的とする発酵生産物である化学品を良好に生産させ得るものであればよい。
発酵原料としては、液体培地が用いられる。培地中の成分であって、目的の化学品に変換される物質（すなわち狭義の原料）を原料と称することもあるが、本書では、特に区別しない場合には、培地全体を原料と称する。狭義の原料とは、例えば化学品としてアルコールを得るための発酵基質であるグルコース、フルクトース、ショ糖などの糖である。
【００８５】
原料は、炭素源、窒素源、無機塩類、および必要に応じてアミノ酸やビタミンなどの有機微量栄養素を適宜含有する。炭素源としては、グルコース、シュークロース、フラクトース、ガラクトースおよびラクトース等の糖類、これら糖類を含有する澱粉糖化液、甘藷糖蜜、甜菜糖蜜、ハイテストモラセス、酢酸等の有機酸、エタノールなどのアルコール類、およびグリセリンなどが使用される。窒素源としては、アンモニアガス、アンモニア水、アンモニウム塩類、尿素、硝酸塩類、その他補助的に使用される有機窒素源、例えば油粕類、大豆加水分解液、カゼイン分解物、その他のアミノ酸、ビタミン類、コーンスティープリカー、酵母または酵母エキス、肉エキス、ペプトン等のペプチド類、各種発酵菌体およびその加水分解物などが使用される。無機塩類としては、リン酸塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、鉄塩およびマンガン塩等が添加されてもよい。
【００８６】
微生物または培養細胞が生育のために特定の栄養素を必要とする場合には、その栄養物が標品またはそれを含有する天然物として、原料に添加される。
原料は、消泡剤を必要に応じて含有してもよい。
【００８７】
本明細書において、培養液とは、発酵原料に微生物または培養細胞が増殖した結果得られる液である。連続発酵においては、培養液に発酵原料を追加することができるが、追加する発酵原料の組成は、目的とする化学品の生産性が高くなるように、培養開始時の組成から適宜変更してもよい。例えば、狭義の発酵原料の濃度、培地における他の成分の濃度等は、変更可能である。
【００８８】
また、本明細書において、発酵液とは、発酵の結果生じた物質を含有する液であり、原料、微生物または培養細胞、及び化学品を含有してもよい。つまり、文言「培養液」と「発酵液」とはほぼ同じ意味で用いられることがある。
【００８９】
本実施の形態２にかかる膜分離型連続発酵装置１００によれば、上記の微生物または培養細胞によって、発酵液中に、化学品すなわち変換後の物質が生産される。化学品としては、例えば、アルコール、有機酸、アミノ酸および核酸など発酵工業において大量生産されている物質を挙げることができる。例えば、アルコールとしては、エタノール、１，３−ブタンジオール、１,４−ブタンジオールおよびグリセロール等が挙げられる。また、有機酸としては、酢酸、乳酸、ピルビン酸、コハク酸、リンゴ酸、イタコン酸およびクエン酸等を挙げることができ、核酸であればイノシン、グアノシンおよびシチジン等を挙げることができる。また、本発明の方法を、酵素、抗生物質および組換えタンパク質のような物質の生産に適用することも可能である。
【００９０】
本実施の形態２にかかる膜分離型連続発酵装置１００は、化成品、乳製品、医薬品、食品または醸造品の製造に適用できる。ここで化成品としては、例えば、有機酸、アミノ酸および核酸が挙げられ、乳製品としては、例えば、低脂肪牛乳などが挙げられ、食品としては、例えば、乳酸飲料など、醸造品としては、例えば、ビール、焼酎が挙げられる。また、本発明の製造方法によって製造された、酵素、抗生物質、組み換えタンパク質等は、医薬品に適用可能である。
【００９１】
連続発酵による化学品の製造では、培養初期にＢａｔｃｈ培養またはＦｅｄ−Ｂａｔｃｈ培養を行って、微生物濃度を高くした後に、連続発酵（つまり培養液の引き抜き）を開始しても良い。または、微生物濃度を高くした後に、高濃度の菌体をシードし、培養開始とともに連続発酵を行っても良い。連続発酵による化学品の製造では、適当な時期から原料培養液の供給および培養物の引き抜きを行うことが可能である。原料培養液供給と培養液の引き抜きの開始時期は必ずしも同じである必要はない。また、原料培養液の供給と培養液の引き抜きは連続的であってもよいし、間欠的であってもよい。
【００９２】
培養液には菌体増殖に必要な栄養素を添加し、菌体増殖が連続的に行われるようにすればよい。培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、培養液の環境が微生物または培養細胞の増殖にとって不適切となって死滅する比率が高くならない範囲で、高い状態で維持することが、効率よい生産性を得る上で好ましい態様である。培養液中の微生物または培養細胞の濃度は、一例として、ＳＬ乳酸菌を用いたＤ−乳酸発酵では、乾燥重量として、微生物濃度を５ｇ／Ｌ以上に維持することにより良好な生産効率が得られる。
【００９３】
連続発酵による化学品の製造において、原料に糖類を使用する場合は、培養液中の糖類濃度は５ｇ／Ｌ以下に保持されることが好ましい。培養液中の糖類濃度を５ｇ／Ｌ以下に保持することが好ましい理由は、培養液の引き抜きによる糖類の流失を最小限にするためである。
【００９４】
微生物および培養細胞の培養は、通常、ｐＨ３以上８以下、温度２０℃以上６０℃以下の範囲で行われる。培養液のｐＨは、無機の酸あるいは有機の酸、アルカリ性物質、さらには尿素、炭酸カルシウムおよびアンモニアガスなどによって、通常、ｐＨ３以上８以下のあらかじめ定められた値に調節する。酸素の供給速度を上げる必要があれば、空気に酸素を加えて酸素濃度を２１％以上に保つ、培養液を加圧する、攪拌速度を上げる、あるいは通気量を上げるなどの手段を用いることができる。
【００９５】
連続発酵の運転においては、微生物発酵槽の微生物濃度をモニタリングすることが望ましい。微生物濃度の測定はサンプルを採取し、測定することでも可能だが、微生物発酵槽に、ＭＬＳＳ測定器など、微生物濃度センサーを設置し、微生物濃度の変化状況を連続的にモニタリングすることが望ましい。
【００９６】
連続発酵による化学品の製造では、必要に応じて、発酵槽内から培養液、微生物または培養細胞を引き抜くことができる。例えば、発酵槽内の微生物または培養細胞濃度が高くなりすぎると、分離膜の閉塞が発生しやすくなることから、引き抜くことで、閉塞から回避することができる。また、発酵槽内の微生物または培養細胞濃度によって化学品の生産性能が変化することがあるが、生産性能を指標として微生物または培養細胞を引き抜くことで、生産性能を維持させることも可能である。
【００９７】
連続発酵による化学品の製造では、発酵生産能力のあるフレッシュな菌体を増殖させつつ行う連続培養操作は、菌体を増殖させつつ生産物を生成する連続培養法であれば、発酵槽の数は問わない。連続発酵による化学品の製造では、連続培養操作は、通常、培養管理上単一の発酵槽で行うことが好ましい。発酵槽の容量が小さい等の理由から、複数の発酵槽を用いることも可能である。この場合、配管によって並列または直列に接続された複数の発酵槽を用いて連続培養を行っても、発酵生産物の高生産性は得られる。
【００９８】
本実施の形態２によれば、加圧熱水供給部２１により加圧熱水を膜分離型連続発酵装置１００の各部に供給することにより、膜分離型連続発酵装置１００全体の滅菌処理を行うことが可能となる。また、実施の形態２では、加圧熱水により滅菌処理を行うため、滅菌処理に要する時間を短縮できるとともに、複雑な形状を有する装置においても確実な滅菌処理が可能となるとともに、安定的に発酵を行うことができる。
【００９９】
さらに、蒸気滅菌法で膜分離型連続発酵装置１００を蒸気滅菌する場合、蒸気滅菌終了後は、蒸気の供給を停止し、必要により、１００℃程度まで降温した後、圧空でブローして、発酵槽１や周辺設備を使用条件まで冷却しており、蒸気滅菌後、分離膜モジュール２を、発酵槽１等と同様に圧空ブローすると、高温の空気で乾燥させることになるため、分離膜孔中の水分が気化し、分離膜は通常の濾過をできなくなってしまう場合がある。分離膜孔中の水分が気化した場合、濾過の前に分離膜の細孔に水等を再度満たす操作が必要となる。
【０１００】
一方、膜分離型連続発酵装置１００を蒸気滅菌した後に、蒸気の供給を停止し、そのまま放冷すると、冷却により発酵槽１や周辺設備が負圧となるため、系外からの一般微生物等のコンタミ防止のためには圧空を供給して装置内を陽圧管理する必要があった。
【０１０１】
さらに、蒸気滅菌後、装置内の冷却のために高温の装置内に液体の水を供給すると、急激な温度変化と、供給した水の急な蒸発のためハンマリングが発生し、設備異常につながる懸念があり、ハンマリングが小さくなるように、水の供給量を少なくすると、分離膜モジュール２まで水が到達するのに時間を要してしまい、冷却が進み、陽圧管理ができない場合があった。
【０１０２】
本実施の形態２にかかる滅菌処理では、滅菌終了後、加圧熱水供給部２１により膜分離型連続発酵装置１００に供給する加圧熱水の温度を徐々に降下させることにより、上記のような問題を発生することなく、膜分離型連続発酵装置１００を冷却することができる。
【実施例】
【０１０３】
以下、本発明の効果をさらに詳細に、実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【０１０４】
（参考例１）中空糸膜の作製
重量平均分子量４１．７万のフッ化ビニリデンホモポリマーとγ−ブチロラクトンとを、それぞれ３８重量％と６２重量％の割合で１７０℃の温度で溶解した。この高分子溶液をγ−ブチロラクトンを中空部形成液体として随伴させながら口金から吐出し、温度２０℃のγ−ブチロラクトン８０重量％水溶液からなる冷却浴中で固化して球状構造からなる中空糸膜を作製した。次いで、重量平均分子量２８．４万のフッ化ビニリデンホモポリマーを１４重量％、セルロースアセテートプロピオネート（イーストマンケミカル社製、ＣＡＰ４８２−０．５）を１重量％、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを７７重量％、ポリオキシエチレンヤシ油脂肪酸ソルビタン（三洋化成株式会社、商品名イオネット（登録商標）Ｔ−２０Ｃ）を５重量％、水を３重量％の割合で９５℃の温度で混合溶解して高分子溶液を調製した。この製膜原液を、球状構造からなる中空糸膜の表面に均一に塗布し、すぐに水浴中で凝固させて球状構造層の上に三次元編目構造を形成させた中空糸膜を作製した。得られた中空糸膜の被処理水側表面の平均細孔径は、０．０４μｍであった。次に、上記の分離膜である中空糸多孔性膜について純水透水量を評価したところ、５．５×１０-9ｍ3／ｍ2／ｓ／Ｐａであった。透水量の測定は、逆浸透膜による２５℃の温度の精製水を用い、ヘッド高さ１ｍで行った。
【０１０５】
（参考例２）分離膜モジュール２の作製
分離膜モジュールケースにはポリスルホン樹脂製筒状容器（内径３５mm）である成型品を用いて分離膜モジュール２を作製した。分離膜として参考例１で作製した中空糸膜を用い、１２１℃の飽和水蒸気と１時間接触させた。飽和水蒸気との接触には、ＴＯＭＹ社製のオートクレーブ「ＬＳＸ−７００」を使用した。中空糸膜を前記モジュールケース内に挿入し、ウレタン樹脂（サンユレック社製、ＳＡ−７０６８Ａ／ＳＡ−７０６８Ｂ、２剤を重量比が６４：１００となるように混合）を用いてモジュールケースと中空糸膜の両端を接着した。モジュール上端は中空糸膜を開口させるために、余分な接着部は切り落として用いた。中空糸膜のモジュール充填率は４５％とした。発酵培養液はモジュール横下部ノズルから導入し、モジュール横上部ノズルから発酵槽１に戻す構造とした。
【０１０６】
モジュールケースの１次側にエタノール８０％水溶液を供給し、一部を２次側から濾過して、分離膜モジュール２内をエタノール８０％水溶液で満たし、１時間静置した。その後、エタノールを排出し、蒸留水で分離膜モジュール２内を洗浄、置換した。分離膜モジュール２内に水を満たして保管した。
【０１０７】
（参考例３）分離膜モジュール２のリーク評価
参考例２の通り作製した分離膜モジュール２の１次側に、１００ｋＰａの空気を供給し、分離膜モジュール２の１次側の水を２次側に濾過した後、分離膜モジュール２の１次側を封じ込めして、１００ｋＰａの空気で加圧状態とした。ここで、分離膜モジュール２の１次側供給ラインに圧力計を設置し、分離膜モジュール２の１次側の圧力を確認できるようにした。また分離膜モジュール２の２次側は大気開放して、１次側からリークがあれば、放圧できるようにした。１０分後、分離膜モジュール２の１次側の圧力の低下が３ｋＰａ以内、また分離膜モジュール２の２次側からの気泡の発生が無ければ、リークは無いと判断した。
【０１０８】
（実施例１）
参考例２の通り作製した中空糸膜を備える分子膜モジュール２を図４に示す膜分離型連続発酵装置１００の発酵液循環ラインに設置し、滅菌を行った。発酵槽１に加圧熱水を供給し、発酵槽１が１２１℃以上になった後、循環ライン、循環ポンプ８、分離膜モジュール２などに加圧熱水を循環した。発酵槽１で加圧熱水の温度を１２３℃に制御し、発酵槽１や分離膜モジュール２を滅菌した。分離膜モジュール２における加圧熱水を通液する際の線速度は、０．５ｍ／ｓとした。
【０１０９】
この分離膜モジュール２は加圧熱水による滅菌を繰り返し、参考例３の方法でリークテストを行い、２０回までリーク等の問題はなかった。また分離膜モジュール１の純水透水量は、中空糸作成時の９８％であった。
【０１１０】
参考例２の分離膜モジュール２を用いて、実施例１を行った。実施例１における運転条件は、特に断らない限り、以下のとおりである。
発酵槽容量:20(L)
発酵槽有効容積:15(L)
使用分離膜:ポリフッ化ビニリデン中空糸膜250本（有効長20cm、総有効膜面積  0.4(m2）)
温度調整:37(℃)
発酵槽通気量:窒素ガス2(L/min)
発酵槽攪拌速度:600(rpm)
pH調整:3N  Ｃａ(ＯＨ)2によりpH6に調整
乳酸発酵培地供給:発酵槽液量が約15Lで一定になる様に制御して添加
発酵液循環装置による循環液量:10(L/min)
膜濾過流量制御:吸引ポンプによる流量制御
間欠的な濾過処理：濾過処理(9分間)〜濾過停止および逆圧洗浄処理(1分間)の周期運転
膜濾過流束：0.01(m/day)以上0.3（m/day）以下の範囲で膜間差圧が20kPa以下となる様に可変。膜間差圧が範囲を超えて上昇し続けた場合は、連続発酵を終了した。
培地は121℃、20分での飽和水蒸気下の蒸気滅菌をして用いた。微生物としてSporolactobacillus  laevolacticus  JCM2513（SL株）を用い、培地として表１に示す組成の乳酸発酵培地を用い、生産物である乳酸の濃度の評価には、下記に示したHPLCを用いて以下の条件下で行った。
【０１１１】
【表１】
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【０１１２】
カラム：Shim-Pack  SPR-H（島津社製）
移動相：5  mM  p-トルエンスルホン酸（0.8  mL/min）
反応相：5  mM  p-トルエンスルホン酸、20  mM  ビストリス、0.1mM  EDTA・2Na（0.8mL/min）
検出方法：電気伝導度
カラム温度：45℃
なお、乳酸の光学純度の分析は、以下の条件下で行った。
カラム：TSK-gel  Enantio  L1（東ソー社製）
移動相：1mM  硫酸銅水溶液
流速：1.0mL/分
検出方法  ：UV  254  nm
温度  ：30℃
L-乳酸の光学純度は、次式（５）で計算される。
光学純度（％）＝100×（L−D）／（D＋L）  ・・・（５）
また、D-乳酸の光学純度は、次式（６）で計算される。
光学純度（％）＝100×（D−L）／（D＋L）  ・・・（６）
ここで、LはL-乳酸の濃度を表し、DはD-乳酸の濃度を表す。
【０１１３】
培養は、まずSL株を試験管で5mLの乳酸発酵培地で一晩振とう培養した(前々々培養)。得られた培養液を新鮮な乳酸発酵培地200mLに植菌し、1000mL容坂口フラスコで24時間、30℃で振とう培養した(前々培養)。前々培養液を、図４に示す膜分離型連続発酵装置１００の15Lの発酵槽１に培地を入れて植菌し、発酵槽１を付属の攪拌装置４によって攪拌し、発酵槽１の通気量の調整、温度調整、pH調整を行い、循環ポンプ８を稼働させることなく、24時間培養を行った(前培養)。前培養完了後直ちに、循環ポンプ８を稼働させ、前培養時の運転条件に加え、乳酸発酵培地の連続供給を行い、連続発酵装置の発酵液量が15Lとなるよう膜透過水量の制御を行いながら連続培養し、連続発酵によるＤ−乳酸の製造を行った。連続発酵試験を行うときの膜透過水量の制御は、濾過ポンプ１１により濾過量が発酵培地供給流量と同一となるように制御した。適宜、膜透過発酵液中の生産されたＤ−乳酸濃度および残存グルコース濃度を測定した。
【０１１４】
間欠的な濾過処理で、濾過処理(9分間)〜濾過停止処理(1分間)の周期運転で、濾過停止時に逆圧洗浄を行った。本実施例では、濾過流束の２倍の流束で、蒸留水を用いて逆圧洗浄を行い、逆圧洗浄液を発酵槽に循環させた。図４に示す膜分離型連続発酵装置１００において化学品を製造したことにより、連続発酵を５７０時間行うことができた。
【０１１５】
（比較例１）
実施例１と同様に中空糸膜モジュールを発酵装置に設置し、発酵開始前に滅菌操作のため、蒸気を発酵槽に直接供給し、発酵槽が１２１℃以上になった後、循環ライン、循環ポンプ８、分離膜モジュール２などに蒸気を供給した。分離膜モジュール２などが１２１℃になった後、２０分間、蒸気を供給し、その後、蒸気供給を停止し、発酵槽などを冷却した。
この中空糸膜モジュール２は蒸気による滅菌を繰り返し、参考例３の方法でリークテストを行い、６回目でリークが発生した。リークはウレタン樹脂層とモジュールケース間の剥離によるものであった。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明の方法によれば、複雑な形状の分離膜を備える分離膜モジュールの滅菌に好適であり、特に、該分離膜モジュールを使用する化学品の製造装置に有用である。
【符号の説明】
【０１１７】
１：発酵槽
２：分離膜モジュール
３：温度制御装置
４：撹拌装置
５：ｐＨセンサー・制御装置
６：レベルセンサー・制御装置
７：差圧センサー・制御装置
８：循環ポンプ
９：培地供給ポンプ
１０：中和剤供給ポンプ
１１：濾過ポンプ
１２：洗浄液供給ポンプ
１３：濾過バルブ
１４：洗浄液バルブ
１５：気体供給装置
１６：水供給ポンプ
１７：循環バルブ
１８：分離膜洗浄装置
１９：供給バルブ
２０、２０Ａ、２０Ｂ：  滅菌用装置
２１：加圧熱水供給部
２２：加圧熱水供給ライン
２３：供給バルブ
２４：加圧熱水排出ライン
２５：排出バルブ
１００、１００Ａ、１００Ｂ：膜分離型連続発酵装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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